Sensores de Imagen CCD: Funcionamiento, Estructura y Proceso de Digitalización

1. Dispositivo de Estado Sólido: El Sensor CCD

Los CCD (Charge-Coupled Devices) son circuitos integrados formados por elementos fotosensibles, colocados en filas y columnas. Cada uno de estos elementos constituye un elemento de imagen denominado píxel. Cuando la luz incide sobre estos píxeles, se crean distintas densidades de carga eléctrica, que dependen del brillo de la luz en cada elemento. A mayor brillo, mayor densidad de carga.

Cada una de las filas de píxeles constituye una línea de vídeo. Estas cargas eléctricas puntuales se introducen en un sistema de memoria y pueden ser leídas, línea a línea, en sincronismo con el resto del sistema. Una vez que el CCD envía sus cargas a la memoria, se puede formar una nueva imagen y repetir el proceso cuadro a cuadro.

2. Proceso de Digitalización en un Sensor

El proceso de digitalización de la imagen consiste en traducir la intensidad lumínica de la escena real en impulsos binarios. Este proceso se lleva a cabo a la salida del captador digital de imagen, donde el circuito conectado a este realiza la función de muestreo.

Las muestras obtenidas pueden tener o no información. Si la muestra contiene información, genera un impulso y se le adjudica un valor basado en el código binario (combinación de 0 y 1); si no tiene información, se le adjudica el valor [0]. Cada valor numérico se denomina bit y cada muestra se encuentra identificada por un grupo de ocho bits o palabra, dentro de la cual la posición de cada bit se corresponde con un valor específico y preestablecido.

3. Estructura Detallada de un Sensor

Un sensor es un chip que presenta una ventana fotosensible sobre la que incide la luz de la imagen a captar.

3.1. Células MOS

En las primeras células MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) utilizadas, cada píxel estaba formado por un fotodiodo que genera cargas de valor proporcional a la luz incidente y las almacena.

3.2. Sensor CCD

Posteriormente, surge el CCD, que es una superficie fotosensible compuesta por un elevado número de fotodiodos en formación matricial situada sobre una base, en la que las cargas eléctricas originadas por el impacto luminoso son almacenadas primero y desplazadas después para ser convertidas en tensión y obtener la señal de vídeo.

3.2.1. Capas del Sensor CCD

Los sensores CCD tienen 3 capas principales:

• 1ª Capa: Polisilicio. Capa conductiva.
• 2ª Capa: Dióxido de Silicio. Es una capa aislante que permite el paso de fotones pero no de electrones.
• 3ª Capa: Silicio. Capa acumuladora.

4. Funcionamiento y Fases de un Sensor CCD

El sensor CCD así formado se expone a la luz en el foco del objetivo y los electrones se van acumulando en la proximidad del electrodo, formando un paquete (tiempo de integración). Para que la imagen tenga buena resolución, debe tener un gran número de paquetes (millones de píxeles).

La información obtenida del CCD es una señal analógica, y la conversión a digital se realiza en otro chip denominado ADC (Convertidor Analógico Digital).

5. Características y Fases del Funcionamiento del Sensor

5.1. Fases del Funcionamiento

El funcionamiento de un sensor se divide en las siguientes fases:

• Registro de imagen: Donde se realiza la conversión fotoeléctrica.
• Registro temporal: Donde se realiza el almacenaje de carga.
• Drenaje: Donde se efectúa la operación de transferencia.

Estas tres fases son gobernadas por un reloj de sincronismo que garantiza un control total en cada uno de los procesos.

5.2. Características Principales

• Tamaño

  Las cámaras actuales utilizan tres tamaños de sensores CCD: 8,5 mm, 12,7 mm y 17 mm. Cuanto mayor sea el sensor, mayor será su capacidad de captar luz.

• Píxeles

  Un sensor es nativo si el número de celdillas que posee es igual o superior al número de píxeles del formato con más calidad que ofrece el sensor. Si el sensor no tiene los suficientes fotodiodos para poder generar la imagen HD, se "inventa" la información mediante el interpolado o el rasterizado. El interpolado "inventa" píxeles haciendo cálculos matemáticos entre píxeles adyacentes, mientras que el rasterizado alarga el píxel.

• Color

  Hay más píxeles en verde que en rojo o en azul porque la sensibilidad del ojo humano es mayor en el centro del espectro, que corresponde al verde.

• Productividad

  Los elementos sensores solo ocupan el 32% de la superficie total del CCD, por lo que el 68% de la luz incidente se pierde. A la vez, se producen reflexiones que incrementan la borrosidad vertical.

• Otras Características

  Necesidad de alta velocidad de muestreo y mucha energía para digitalizar la señal; circuitos de funcionamiento rápido con memoria interna y programada.